【導讀】隨著云計算、超大規模數據中心、5G應用和大型設備的不斷發展，市場對不間斷電源(UPS)的需求保持高位，且正在往小型化、高容量化、高效化發展，設計人員面臨如何在性能、能效、尺寸、成本、控制難度之間權衡取舍的挑戰，安森美(onsemi)基于新一代半導體材料碳化硅(SiC)的方案，有助于變革性地優化UPS設計。
安森美是領先的智能電源方案供應商之一，也是全球少數能提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應商，提供先進的SiC、SiC/Si混合和IGBT模塊技術，以及廣泛的分立器件、門極驅動器等周邊器件，滿足低、中、高功率UPS設計的各種要求，加之技術團隊的應用支援，幫助設計人員解決上述挑戰，滿足大數據時代不斷增長的需求。本文重點介紹安森美應用于UPS的SiC方案。
圖1：在線式UPS典型框圖(橙色代表安森美能提供的產品)
在線式UPS更適合大功率應用場景
UPS系統廣泛用于保護從電信和數據中心到各種工業設施等各種應用中的關鍵組件的電源，提供過濾功能和補償電網的短期停電，確保可靠的電壓供應。
按工作原理，UPS分為離線式UPS、在線互動式UPS和在線式UPS。離線式UPS和在線互動式UPS結構簡單、成本低，在輸入沒有異常的情況下，能效高，但存在切換時間長，激活電池供電的情況多，輸出精度低。
所以目前針對數據中心等大功率UPS需求的場所，在線式UPS是最常用的，在線式UPS也稱為雙變換式UPS，無論市電是否正常，負載的全部功率均由逆變器給出，所以沒有間斷，輸出質量高，經過高頻脈寬調制(PWM)后，整體波形總諧波失真(THD)小，頻率波動小，但價格高，控制復雜。
新一代UPS的設計挑戰和考量
為了應對持續增長的電能保護需求，新一代UPS需具有以下特點：
● 超過98%的高能效，高功率密度，功率因數>0.99，無變壓器設計
● 更高的輸出功率：大型數據中心對UPS要求很高，一臺3相輸出的UPS的母線電壓是800 V。模塊化UPS可拓展、高冗余，通過連接多個產品能達到100 kVA更大輸出功率，以應對大型數據中心的需求
● 0切換時間：相較離線式UPS的2到10 ms切換時間，在線式UPS具有0切換時間，以應對各種情況下的緊急問題
● 具有調節輸入電壓和優化輸出電壓的能力，以減少電池的使用頻率，從而增加使用時間，節省成本
● 優秀的散熱能力，減少本身由散熱器帶來的重量和成本，同時有能力在受限的空間里增加額外的功率模塊
為了實現這些特性，我們需要權衡考慮以下因素：
● 控制總擁有成本(TCO，Total Cost of Ownership)，包括生產成本、運輸安裝和后期維護的成本，以及存放設備的空間成本等。需要去考慮如何減小散熱片、電感和電解電容以及風扇所占的空間和重量。
● UPS的可拓展化，模塊化UPS的一個巨大優勢就是可拓展，當需要增加容量時，只需要添加一個電源模塊，一個模塊尺寸重量較小，即使一個人也可以完成安裝，大大減少了成本。
● 采用在線式UPS，在線式UPS相比其它種類的UPS能夠處理更多輸入電能質量問題，減少電池使用頻率，同時其高頻逆變器能夠輸出高質量高效率的正弦信號為負載供電。
● 拓撲對系統性能和能效的影響，3電平拓撲比2電平拓撲能效更高，在額定功率下，更高能效意味著更小的散熱器和更好的可靠性，最關鍵的是電平數的增加使得電壓輸出更接近正弦波，但復雜的控制算法、更多的器件以及開關管數量增加會導致成本增加，設計人員需要在性能和價格之間權衡取舍。
● 使用SiC作為開關器件。
安森美用于UPS的SiC方案：陣容廣，性能優
由于SiC具有更高的耐壓能力、更低的損耗以及更高的導熱率，可賦能UPS設計更高的功率密度和優化的系統成本，較低的系統損耗和更高的系統能效。安森美在SiC領域有著深厚的歷史積淀，垂直整合模式確保可靠的品質和供應。
圖2：安森美SiC的領先地位
安森美的SiC MOSFET和SiC二極管產品線非常豐富，包含各種電壓等級。SiC MOSFET從650 V到1200 V，并且即將發布1700 V的產品，SiC二極管則是從650 V到1700 V都具備。
對于UPS來說，SiC MOSFET主要選擇Rdson更小的產品。如安森美適用于UPS的1200 V M3S SiC MOSFET比領先行業的競爭對手減少達20%的功率損耗，原因是其使用更大尺寸的晶片(die)，從而減少Rdson。
圖3：安森美的SiC方案陣容廣，性能優
安森美目前主推的4-pin SiC MOSFET，相比3-pin的產品，額外的一根開爾文引腳(Kelvin Source)可消除源極引腳上的寄生電感，可提供更快的開關速度，從而降低導通損耗。
隨著UPS的單元功率逐漸增加，也會有更多的設計人員考慮模塊產品，將許多不同功能、大小的晶圓如IGBT、二極管封裝在一個模塊里，可減小由于單管引腳帶來的雜散電感，降低器件在快速關斷時產生的電壓應力，減少生產流程的工序，提高產線效率，減輕了電氣和結構研發設計人員的工作量，避免了因為單管工藝復雜造成的產品不良率，也讓BOM的采購和供應鏈變得簡單，縮短了產品投入市場的時間。
而且從系統集成的角度來分析，模塊的高成本是可以被其他優點攤薄的，例如簡化生產流程和PCB的設計，高功率密度，較低的散熱系統成本，簡單的絕緣設計等。由于組裝模塊時的晶片都來自同一片晶圓上相鄰的器件，晶片的一致性更高，這有利于晶片并聯均流，增加了系統的長期運行可靠性。
安森美的半橋1200 V SiC MOSFET 2-PACK模塊，含有2顆1200 V M1 SiC MOSFET，和一顆熱敏測溫電阻， Rdson非常低。它具有2種封裝，F2封裝NXH006P120MNF2的尺寸是F1 封裝NXH010P120MNF1的一倍，更適合大功率的產品。同時，尺寸更大的die能改減少熱阻，增加可經過的電流。
安森美的900 V M2 SiC MOSFET 維也納模塊NXH020U90MNF2由兩個900 V開關和2個1200 V SiC二極管組成，維也納拓撲常用于PFC，相比其它的3電平方案，維也納拓撲具有器件少，控制簡單的特點。
除此之外，安森美的多通道SiC boost模塊系列如下表，可用于電池充放電部分。
不同模塊的損耗對比
我們在一個boost升壓電路對不同模塊進行了對比，SiC MOSFET的導通損耗比IGBT混合模塊低1到2倍，其關斷損耗Eoff低5倍以上。這對提高系統開關頻率，降低損耗意義很大。若在相同的開關頻率下，全SiC模塊較混合模塊的溫升和損耗更低，允許使用更小更經濟的散熱器，或者說散熱條件一樣時可以輸出更高的功率。換一種評估方式，假設每路輸出功率10 kW，隨著開關頻率的增加，由于較大的開關損耗，IGBT的結溫和損耗遠高于SiC MOSFET，因而全SiC模塊在減小電感值、電感尺寸和重量方面有巨大優勢。
圖4. 不同模塊的損耗對比
總結
SiC有助于變革性地優化UPS設計，滿足大數據時代UPS小型化、高容量化、高效化的要求。安森美在SiC領域處于領先地位，是世界上少數能提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應商之一，為UPS提供多種電壓等級的高能效、高性能SiC MOSFET、SiC二極管、全SiC模塊和混合SiC模塊，配合安森美針對SiC優化的門極驅動器、傳感、隔離和保護IC等周邊器件和應用支援，幫助設計人員在性能、能效、尺寸、成本、控制難度之間做出最佳的權衡取舍。
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